無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多級發(fā)射功率配置方法一、技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射功率控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其是無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率的優(yōu)化的配置方法。二、

背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)射功率控制技術(shù)的主要目的是在發(fā)起通信業(yè)務(wù)之前設(shè)定合理的發(fā)射功率，實(shí)現(xiàn)以最小的發(fā)射功率完成通信任務(wù)，進(jìn)而降低通信過程中的能量消耗，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量利用率。除此之外，發(fā)射功率控制技術(shù)還有如下三點(diǎn)重要作用：（1）調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)調(diào)整節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率能夠改變節(jié)點(diǎn)的通信距離，網(wǎng)絡(luò)連通性也相應(yīng)的隨之改變，設(shè)定過小的發(fā)射功率可能會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)具有較差的連通性，出現(xiàn)彼此無法通信的孤島節(jié)點(diǎn)群，從而影響網(wǎng)絡(luò)的正常通信。設(shè)定過高的發(fā)射功率可以保證網(wǎng)絡(luò)的連通性，但是卻會造成能量的浪費(fèi)，而且會降低頻譜的空間復(fù)用度，加劇MAC層的競爭沖突。（2）減少網(wǎng)絡(luò)競爭沖突發(fā)射功率控制技術(shù)可以降低數(shù)據(jù)包的競爭沖突、提高M(jìn)AC層（介質(zhì)訪問控制層）能量使用效率。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)會產(chǎn)生沖突，此時(shí)兩個(gè)數(shù)據(jù)包都有可能遭到損壞，那么節(jié)點(diǎn)通信模塊在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包上消耗的能量就浪費(fèi)了。發(fā)射功率控制技術(shù)在保證節(jié)點(diǎn)有一定數(shù)量鄰居節(jié)點(diǎn)的前提下，盡可能的減小沖突域，降低MAC層的沖突概率，提高M(jìn)AC層能量使用效率。（3）消除“遠(yuǎn)近效應(yīng)”發(fā)射功率控制技術(shù)可以有效的降低或者消除網(wǎng)絡(luò)中的“遠(yuǎn)近效應(yīng)”問題。如果網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)節(jié)點(diǎn)以相同的發(fā)射功率同時(shí)發(fā)送信號，他們彼此就會產(chǎn)生干擾，如果網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔容^密集，通信鏈路較多，微弱的干擾疊加后也能合成較大的干擾并顯著降低網(wǎng)絡(luò)性能，而采用功率控制技術(shù)能夠有效的解決這種問題。本發(fā)明中涉及和縮略語和關(guān)鍵術(shù)語定義：IEEEInstituteofElectricalandElectronicsEngineers美國電氣和電子工程師協(xié)會；MACMediaAccessControl媒體接入控制；MTPCMMulti-levelTransmissionPowerControlMethod多級發(fā)射功率控制方法；WSNWirelesssensornetworks無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；TPCTransmissionpowercontrol發(fā)射功率控制；RSSIReceivedSignalStrengthIndication接收信號強(qiáng)度指示?，F(xiàn)有技術(shù)中對的發(fā)射功率控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方案主要有二種：其一是基于距離的發(fā)射功率設(shè)定方法，其主要思路是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的通信距離劃分成若干功率等級（一般在5個(gè)左右），發(fā)射節(jié)點(diǎn)在通信之前獲取其實(shí)際需求的通信距離，根據(jù)通信距離和實(shí)際通信所需求發(fā)射功率之間的關(guān)系，選擇對應(yīng)的發(fā)射功率進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。如圖1中的Mesh網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率被分為5個(gè)功率等級，根據(jù)實(shí)際的通信距離選擇不同的功率等級，如圖1中節(jié)點(diǎn)A可以和網(wǎng)絡(luò)中其他任意節(jié)點(diǎn)直接通信，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B、C、D、E、F這五個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際通信距離分別標(biāo)識為等級1，2，1，3，4?；嚯x等級為1，表示最近的通信距離范圍，如節(jié)點(diǎn)A、B之間的距離；等級5表示兩通信節(jié)點(diǎn)處于最遠(yuǎn)的距離等級。具體距離功率對照如表1所示，等級1對應(yīng)通信距離在10米之內(nèi)，等級2對應(yīng)10米至20米范圍，等級3對應(yīng)20米至30米范圍，等級4對應(yīng)30米至40米范圍，等級5對應(yīng)40米以上，相應(yīng)的各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的在不同通信鏈路上使用的最終功率等級就依據(jù)兩節(jié)點(diǎn)之間的通信距離設(shè)定。表1距離功率對照表序號距離/米發(fā)射功率等級10～101210～202320～303430～404540～5上述方法是經(jīng)驗(yàn)式的發(fā)射功率控制技術(shù)，主要通過測算實(shí)際通信距離，并根據(jù)距離值來劃定功率等級，但功率等級的劃分并不是實(shí)時(shí)獲取或者實(shí)時(shí)計(jì)算獲得，而是經(jīng)驗(yàn)式的依照距離功率對照表設(shè)定節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，該方法雖然可以在一定程度上降低通信過程的能量消耗，但是實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境并非一成不變，經(jīng)驗(yàn)式獲取發(fā)射功率的方法忽略了信號干擾、環(huán)境屏蔽等因素的影響，無法保證網(wǎng)絡(luò)的正常連通性和穩(wěn)定性，網(wǎng)絡(luò)的通信成功率也會收到很大的影響。其二是基于試探的發(fā)射功率控制（TPC）方法，這是一種高效的功率控制技術(shù)。該方法主要是通過多次試探性控制信息交互機(jī)制來獲取最佳的發(fā)射功率。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的射頻模塊允許設(shè)定數(shù)十個(gè)不同的發(fā)射功率，具體功率值區(qū)間因硬件設(shè)計(jì)差異而有所區(qū)別。網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送節(jié)點(diǎn)（源節(jié)點(diǎn)）向另一接收節(jié)點(diǎn)（目標(biāo)節(jié)點(diǎn)）發(fā)起通信業(yè)務(wù)時(shí)，源節(jié)點(diǎn)首先檢索自身的存儲發(fā)射功率表，若該表中已經(jīng)存儲了該條鏈路的發(fā)射功率，則直接設(shè)置確定的發(fā)射功率值發(fā)起通信業(yè)務(wù)，若該表中沒有對應(yīng)的發(fā)射功率值，源節(jié)點(diǎn)則發(fā)起控制信息交互過程，控制信息交互過程如圖2所示，首先將源節(jié)點(diǎn)設(shè)定為最高發(fā)射功率向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率詢問包，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到該功率詢問包后則回復(fù)一個(gè)確認(rèn)包，如果源節(jié)點(diǎn)收到了反饋的確認(rèn)包，則認(rèn)為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)成功接收了此次詢問包，并確認(rèn)當(dāng)前設(shè)定的發(fā)射功率能夠成功完成通信業(yè)務(wù)，源節(jié)點(diǎn)則降低發(fā)自身發(fā)射功率，并再次嘗試發(fā)送功率詢問包，如果目標(biāo)節(jié)點(diǎn)依然正常接收并回復(fù)了確認(rèn)包，源節(jié)點(diǎn)則繼續(xù)降低自己的發(fā)射功率，重復(fù)以上操作直到源、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的控制信息交互失敗或者源節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率降低到了最低值，此時(shí)控制信息交互過程結(jié)束，源節(jié)點(diǎn)將上一次成功進(jìn)行功率詢問包交互的通信視為有效通信過程，并將此次通信過程使用的發(fā)射功率確定為最終的發(fā)射功率。參考圖2控制信息交互過程。上述發(fā)射功率控制技術(shù)雖然可以使得節(jié)點(diǎn)獲得最低的有效發(fā)射功率，但其實(shí)現(xiàn)代價(jià)較高，最終發(fā)射功率的設(shè)定需要進(jìn)行數(shù)次甚至數(shù)十次的控制信息的交互，這種控制信息交互過程本身就消耗較多得能量，更重要的是該技術(shù)同樣沒有考慮環(huán)境干擾，即使在網(wǎng)絡(luò)干擾突然增大的情況下，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)依然使用原先設(shè)定的發(fā)射發(fā)起通信業(yè)務(wù)，此時(shí)通信成功率很難保證。因此在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境比較復(fù)雜的情況下，該方法并不適用。三、

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明目的是：解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，當(dāng)然也基于并改進(jìn)現(xiàn)有的兩種發(fā)射功率設(shè)定方法，解決技術(shù)問題如下：（1）解決基于距離的發(fā)射功率設(shè)定方法中設(shè)定發(fā)射功率精度欠缺問題；（2）解決基于試探的發(fā)射功率設(shè)定方法中實(shí)現(xiàn)過程能量消耗過大的問題；（3）尤其是綜合考慮環(huán)境干擾對節(jié)點(diǎn)通信的影響，動態(tài)設(shè)定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，降低環(huán)境干擾對功率設(shè)定的影響，提高發(fā)射功率設(shè)定的成功率。本發(fā)明的技術(shù)方案是：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多級發(fā)射功率配置方法，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)初次向另一接收節(jié)點(diǎn)發(fā)起通信時(shí)，采用如下步驟：步驟一，發(fā)送節(jié)點(diǎn)測算兩通信節(jié)點(diǎn)之間的理論通信距離；步驟二，根據(jù)理論通信距離，計(jì)算節(jié)點(diǎn)所需的理論發(fā)射功率，初步選定發(fā)射功率級別，每個(gè)發(fā)射功率級別設(shè)有若干發(fā)射功率值；步驟三，發(fā)送節(jié)點(diǎn)空載接收信號強(qiáng)度指示即RSSI檢測，動態(tài)調(diào)整所需的發(fā)射功率級別；步驟四，在選定的發(fā)射功率等級中，采用試探性發(fā)射功率控制方法確定最低的有效發(fā)射功率值；步驟五，存儲該功率設(shè)定方法確定的發(fā)射功率值，并設(shè)定該發(fā)射功率發(fā)起既定通信業(yè)務(wù)；若上述兩節(jié)點(diǎn)再次發(fā)起通信業(yè)務(wù)，直接獲取已存儲的發(fā)射功率即可，如果通信失敗，則清除存儲的發(fā)射功率值，并重新啟動多級發(fā)射功率配置方法設(shè)定適合該條通信鏈路的發(fā)射功率值。若上述發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)初次進(jìn)行通信，則啟動該發(fā)射功率控制方法。進(jìn)一步的，節(jié)點(diǎn)的射頻模塊一般定義20－30個(gè)發(fā)射功率級別，將這些發(fā)射功率值劃分為4－6個(gè)功率等級，每個(gè)功率等級中具有不同的4－7個(gè)發(fā)射功率值；進(jìn)一步的，設(shè)定5個(gè)功率等級，1dBm～-4.5dBm為最高等級5，-6dBm～-0.5dBm為等級4，-13dBm～-8dBm為等級3，-18dBm～-14dBm為等級2，-28dbm～-19dBm為等級1。進(jìn)一步的，在確定最終的發(fā)射功率等級之前，源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行空載RSSI檢測，如果測算的RSSI值高于-95dBm，則認(rèn)為環(huán)境中存在較大信號干擾，于是將發(fā)射功率等級調(diào)高至最高等級；如果空載RSSI值介于-105dBm～-95dBm，說明環(huán)境存在一定的信號干擾，直接將發(fā)射功率等級調(diào)高一個(gè)等級；如果空載RSSI值小于-105dBm，說明環(huán)境存在的干擾較小，無需修改發(fā)射功率等級。進(jìn)一步的，如發(fā)射功率的測算值為-5dBm，空載RSSI值為-115dBm，網(wǎng)絡(luò)壞境較好無需修正發(fā)射功率等級。某一節(jié)點(diǎn)測算所需的理論發(fā)射功率值為-9dBm，若檢測到空載RSSI值為-80dBm，則設(shè)定發(fā)射功率為最高等級5；若檢測到空載RSSI值為-100dBm，則將發(fā)射功率等級調(diào)高為4；若檢測到空載RSSI值為-110dBm，則設(shè)定發(fā)射功率為等級3無需修正。本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果：（1）降低發(fā)射功率設(shè)定過程的能量開銷，其原因是：根據(jù)測算的發(fā)射功率理論值選定功率等級，迅速縮小發(fā)射功率的選定范圍，在選定的功率范圍內(nèi)的試探性控制信息交互次數(shù)得到了明顯減少，從而降低了發(fā)射功率設(shè)定過程的能量開銷。（2）實(shí)現(xiàn)以最低的有效發(fā)射功率進(jìn)行通信，降低節(jié)點(diǎn)通信過程中消耗的能量。本發(fā)明方法試圖設(shè)定最低且保證通信質(zhì)量的發(fā)射功率并存儲復(fù)用。以此功率進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，必然會一定程度上降低能量消耗。（3）降低節(jié)點(diǎn)間的通信沖突和串?dāng)_保，提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間通信成功率。本發(fā)明方法可以調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的連通性，減少不必要的通信沖突和串?dāng)_，并融入空載RSSI檢測機(jī)制，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)干擾情況，修正節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率等級。四、附圖說明圖1是典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)控制信息交互過程流程示意圖；圖3本發(fā)明發(fā)射功率控設(shè)定程圖。五、具體實(shí)施方式本發(fā)明實(shí)施例一：本發(fā)明提出了一種分級逼近式發(fā)射功率動態(tài)設(shè)定方法。一般網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在硬件初始化的時(shí)都將發(fā)射功率設(shè)置為最大值，網(wǎng)絡(luò)某節(jié)點(diǎn)需要向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)起通信業(yè)務(wù)時(shí)，首先檢索自身的發(fā)射功率表是否存在該條鏈路的發(fā)射功率，如果檢索到了既定的發(fā)射功率，則表明該節(jié)點(diǎn)已經(jīng)設(shè)定了合適的發(fā)射功率值，直接以該發(fā)射功率發(fā)起通信即可，如果沒有檢索到該鏈路的發(fā)射功率，則開始本發(fā)明技術(shù)的功率設(shè)定過程。一般網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的射頻模塊都定義了若干發(fā)射功率級別，如某硬件定義了23個(gè)發(fā)射功率級別，范圍從-28dBm到4.5dBm。本發(fā)明方案將這23個(gè)發(fā)射功率值劃分為5個(gè)功率等級，設(shè)定1dBm～-4.5dBm為最高等級5，-6dBm～-0.5dBm為等級4，-13dBm～-8dBm為等級3，-18dBm～-14dBm為等級2，-28dbm～-19dBm為等級1。本發(fā)明具體流程如圖3所示，發(fā)送節(jié)點(diǎn)（源節(jié)點(diǎn)）首先通過測算兩通信節(jié)點(diǎn)的傳輸延時(shí)來估算源、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間通信距離d，接著根據(jù)發(fā)射功率和通信距離換算公式（1）得到該通信鏈路所需發(fā)射功率的預(yù)測值：式中，PT表示節(jié)點(diǎn)所需的理論發(fā)射功率值，Ps表示節(jié)點(diǎn)接收信息的功率門限值，L表示系統(tǒng)損耗因子，Gt、Gr分別表示源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的天線增益，λ表示載波波長，n為信道衰減系數(shù)，其經(jīng)典值為2，在本發(fā)射功率控制方法中將信道衰減系數(shù)設(shè)置為經(jīng)典值2。根據(jù)計(jì)算得到的理論功率值PT，將該功率值轉(zhuǎn)換為常用的dBm單位，具體轉(zhuǎn)換公式如下：根據(jù)公式（2）計(jì)算值判斷源節(jié)點(diǎn)在該通信鏈路上所需的發(fā)射功率等級，在確定最終的發(fā)射功率等級之前，源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行空載RSSI檢測，如果測算的RSSI值高于-95dBm，則認(rèn)為環(huán)境中存在較大信號干擾，于是將發(fā)射功率等級調(diào)高至最大等級；如果空載RSSI值介于-105dBm～-95dBm，說明環(huán)境存在一定的信號干擾，直接將發(fā)射功率等級調(diào)高一個(gè)等級；如果空載RSSI值小于-105dBm，說明環(huán)境存在的干擾較小，無需修改發(fā)射功率等級。如發(fā)射功率的測算值為-5dBm，空載RSSI值為-115dBm，網(wǎng)絡(luò)壞境較好無需修正發(fā)射功率等級。某一節(jié)點(diǎn)測算所需的理論發(fā)射功率值為-9dBm，若檢測到空載RSSI值為-80dBm，則設(shè)定發(fā)射功率為最高等級5；若檢測到空載RSSI值為-100dBm，則將發(fā)射功率等級調(diào)高為4；若檢測到空載RSSI值為-110dBm，則設(shè)定發(fā)射功率為等級3無需修正。在發(fā)射功率所屬等級確定后，該發(fā)明技術(shù)開始進(jìn)行控制信息交互，首先將源節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率設(shè)定為該等級范圍內(nèi)的最大發(fā)射功率與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制信息交互，如果控制信息交互成功，則降低發(fā)射功率，重復(fù)進(jìn)行控制信息交互，直到控制信息交互失敗或者功率已經(jīng)降低到該等級范圍內(nèi)的最低功率值，此時(shí)，我們將最后一次成功進(jìn)行信息交互的發(fā)射功率視為最終發(fā)射功率，將該功率值和對應(yīng)的通信鏈路存儲到節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率表中，并設(shè)定該發(fā)射功率發(fā)起通信業(yè)務(wù)。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜铜h(huán)境干擾穩(wěn)定的情況下，一條通信鏈路只需進(jìn)行一次功率設(shè)定，源節(jié)點(diǎn)再次向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)射功率發(fā)起通信業(yè)務(wù)，則直接使用已存儲的發(fā)射功率發(fā)起通信業(yè)務(wù)，如果通信失敗，則源節(jié)點(diǎn)清除該條通信鏈路的發(fā)射功率并重新發(fā)起發(fā)射功率控制方法。該發(fā)明技術(shù)在設(shè)定發(fā)射功率也需要消耗一定能量，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信量較少的時(shí)候，該發(fā)明技術(shù)并不會降低能量消耗。但是在一般的WSN中，節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信次數(shù)非常頻繁，且該方法設(shè)定的發(fā)射功率可以存儲復(fù)用，因此隨著網(wǎng)絡(luò)通信量不斷增多，該發(fā)明技術(shù)降低功耗的作用就會越發(fā)顯著。應(yīng)當(dāng)說明的是：以上實(shí)施方案僅用于說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制。盡管上述步驟對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，依然可以對本發(fā)明的具體技術(shù)進(jìn)行修改或者對部分技術(shù)進(jìn)行等同替換，而最終達(dá)到同樣的功率配置效果。因此只要不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明請求保護(hù)的技術(shù)方案范圍當(dāng)中。